АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Линейные асинхронные электроприводы сложного колебательного движения для рабочих органов технологических машин АПК
Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование
Линенко Андрей Владимирович
Уфа - 2014
1. Общая характеристика работы
Актуальность темы. Повышение эффективности одной взятой технологической машины может положительно сказываться на дальнейших технологических операциях хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Так, например, путем снижения на очистительных машинах засоренности зерна на 1% можно повысить на 2% массовую емкость зернохранилищ, снизить расходы на сушку зерна. Отбор примерно 10 % мелкой фракции зерна перед переработкой позволяет использовать его в комбикормах, одновременно увеличивая выход высоких сортов муки на 15-20 %. С другой стороны, нечеткость разделения на очистительных и сортировальных машинах приводит к нарушению оптимальных режимов работы всех последующих машин, повышению энергоемкости процесса и снижению качества конечной продукции.
В сельскохозяйственном производстве от 40 до 50 % электрических двигателей вращения используется для получения колебательного движения, при этом необходимы преобразователи вида движения, которые усложняют привод. Поэтому создание высокоэффективных приводов рабочих органов непосредственно от ротора электродвигателя, реализующих колебательное движение, является приоритетным направлением развития сельскохозяйственной техники.
В этом направлении успешно находят применение линейные асинхронные двигатели (ЛАД), которые непосредственно электрическую энергию преобразуют в поступательное движение рабочего органа. Оснащение ЛАД упругими элементами позволяет реализовать энергетически эффективный электропривод колебательного движения, причем разгон рабочего органа в одну сторону осуществляется под действием электромагнитного поля ЛАД, а в обратном направлении за счет запасенной энергии в упругом элементе.
Однако сказанное не исчерпывает всех возможностей ЛАД в приводе технологических машин. Благодаря своим конструктивным особенностям ЛАД позволяют обеспечить колебательное движение рабочего органа и сложной формы: возвратно-поступательно-вращательное; возвратно-поступательное с поперечной составляющей колебаний; возвратно-поступательное с вертикальной составляющей колебаний; эллипсоидное.
Реализация электропривода рабочих органов с линейными двигателями, в которых вторичный элемент может являться самим рабочим органом, совершающим сложное и регулируемое в широком диапазоне колебательное движение (амплитуда колебаний до 0,7 м; частота до 5 Гц), открывает новую область для совершенствования технологического оборудования различного назначения, особенно в послеуборочной обработке зерна.
Обобщение теории, исследование и реализация линейных приводов сложного колебательного движения представляет собой актуальную научно-техническую проблему и является важным резервом повышения технико-экономических показателей технологического оборудования АПК.
В соответствии с концепцией развития сельскохозяйственной техники России до 2015 года создание универсальных и унифицированных машин нового поколения, обеспечивающих высокую производительность при минимальных затратах средств и высокой надежности машин, является основным направлением сельхозмашиностроения, что подтверждает актуальность выбранного направления. Тематика работы отвечает «Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ до 2020 года» и соответствует разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 года».
Цель работы: обобщение теории, создание математических моделей и исследование линейных асинхронных электроприводов сложного колебательного движения (ЛАЭСКД), обеспечивающих за счет управления параметрами колебаний рабочих органов повышение эффективности применения технологических машин АПК.
Задачи исследования:
1. Исследовать технологические характеристики процессов послеуборочной переработки продукции растениеводства, на основе которых согласовать установку ЛАЭСКД с управляемыми параметрами колебаний в технологические машины АПК.
2. Разработать математический аппарат расчета ЛАЭСКД с учетом условий работы в технологических машинах.
3. Провести анализ математических моделей ЛАЭСКД совместно с технологическими машинами, осуществляющими послеуборочную переработку продукции растениеводства, определить рациональные взаимосвязи параметров колебаний электромеханической системы с учетом согласования требуемых характеристик, параметров двигателя и нагрузки для различных условий применения.
4. Разработать методику и провести экспериментальные исследования ЛАЭСКД различных модификаций и для различных технологических машин, проверить адекватность разработанных математических моделей.
5. Внедрить ЛАЭСКД в натурные образцы и рабочие проекты технологических машин для процессов послеуборочной переработки продукции растениеводства. Провести анализ технико-экономической эффективности разработок.
Объект исследования: технологические машины в АПК с колебательным движением рабочих органов.
Предмет исследования: взаимосвязи и закономерности изменения параметров сложных колебаний электромеханической системы от конструктивных элементов и режима работы линейного электропривода с учетом параметров нагрузки.
Методы исследований: Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений механики и электромеханики и основных положений теории электропривода.
Научная новизна работы.
- предложены кинематические схемы линейных асинхронных электроприводов, реализующие сложное и регулируемое движение рабочих органов, на основе которых разработаны конструкции технологических машин АПК;
- предложена методика расчета продольной и нормальной сил, развиваемых ЛАЭСКД по Т-образной схеме замещения ЛАД при изменяющемся его воздушном зазоре;
- разработан комплекс математических моделей ЛАЭСКД технологических машин, на основе которых получены взаимосвязи в приводе в зависимости от их конструктивных параметров, режима работы и с учетом параметров нагрузки;
- предложена методика экспериментальных исследований ЛАЭСКД и технологических машин на их базе.
Достоверность результатов исследований проверялась экспериментально-аналитическими методами, сравнением некоторых полученных результатов с решениями других авторов, а также методами физического моделирования электромеханических систем с привлечением одного из основных пакетов расширения программной системы Matlab - Simulink, моделированием процессов в реальных технологических машинах, экспертизой разработанных технических решений в ФИПС РФ.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- кинематические схемы линейных асинхронных электроприводов, которые позволяют реализовать сложное и регулируемое движение рабочих органов и соответствующие им конструкции технологических машин АПК, зарегистрированные в ФИПС РФ;
- методика расчета продольной и нормальной сил, развиваемых ЛАЭСКД, учитывающая изменяющийся воздушный зазор в ЛАД, которая позволяет рассчитать траекторию сложного движения рабочего органа;
- комплекс математических и компьютерных моделей электромеханических систем на базе ЛАЭСКД с упругими накопителями механической энергии и результаты их многофункционального анализа, используемые для проектирования и разработки технологических машин;
- методика и результаты экспериментальных исследований ЛАЭСКД технологических машин для послеуборочной переработки продукции растениеводства с многоканальной выдачей информации.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
- предложенные кинематические схемы ЛАЭСКД позволяют создавать технологические машины повышенной эффективности;
- математические модели позволяют на начальной стадии проектирования ЛАЭСКД технологической машины принимать рациональные решения, обеспечивающие требуемые технические параметры электромеханической системы при минимальных материальных и энергетических затратах;
- созданные образцы лабораторных установок ЛАЭСКД технологических машин обеспечивают эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;
- результаты исследований позволяют дать конкретные рекомендации при инженерных расчетах ЛАЭСКД.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР, проводимых в различные годы. Внедрены: на зерноперерабатывающих пунктах (экономический эффект на одну установку МВР-2 составляет 24200 рублей в год, ); на ряде сахарных заводов РБ в качестве инерционного конвейера для транспортирования влажного сахара (экономический эффект на один конвейер составляет 240 000 рублей в год); на участках послеуборочной обработки картофеля (экономический эффект на одну установку составляет 16649 рублей в год); на хлебоприемных пунктах; в шелушильных машинах, а также в учебном процессе Башкирского ГАУ:
- в монографии «Линейные электрические машины и линейные асинхронные электроприводы технологических машин»;
- на учебных занятиях по дисциплине «Электропривод», «Автоматизированный электропривод».
Публикации. В диссертации обобщены 56 авторских публикаций, в том числе 13 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография. Оригинальные технические решения защищены 9 патентами РФ. Общий объем публикаций 29 п.л. Существенную техническую помощь по созданию (проектированию, изготовлению и испытанию) технологических машин для сельскохозяйственных, пищевых и других производств оказали соавторы, указанные в перечне основных работ, опубликованных по теме диссертации.
Неоценимую помощь своими советами и консультациями соискателю оказал д.т.н., профессор Аипов Р.С., за что выражаю ему свою искреннюю благодарность.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на 17 научно-технических, а также на ежегодных внутривузовских конференциях. В том числе: на Всероссийской научной конференции (Москва, ИПУ РАН, 2002); на ежегодных научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии (Челябинск, 2001г., 2002г., 2009г., 2010г., 2011г., 2013г.); на Всероссийской научно-технической конференции (Уфа: УГНТУ, 2007); на Всероссийских научно-практических конференциях в рамках XIX и XX Международной специализированной выставки «Агро Комплекс- 2009, 2010, 2011, 2013» (Уфа); на Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях» (Ижевская ГСХА, 2011); на III международной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014»(Екатеринбург, ФГАОУ ВПО УрФУ им. Первого президента России Б.Н. Ельцина, 2014) и др..
Разработки удостоены серебряных медалей Всероссийского конкурса «Золотая осень 2008г., 2013г.»
2. Содержание работы
Во введении рассматривается актуальность темы, обосновывается цель и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, дается ее общая характеристика.
Отмечается роль известных ученых в создании и развитии родственных научных направлений: Вольдека А.И., Веселовского О.Н., Луковникова В.И., Петленко Б.И., Сарапулова Ф.Н., Коняева А.Ю., Соколова М.М., Винокурова А.И., Мамедова Ф.А., Денисова В.Н., Епифанова А.П., Лейтуейта Е.Р., Насар С.А., Болдеа И., Скобелева В.Е., Ямамура С., Аипова Р.С., Сапсалева А.В. и др.
В первой главе «Перспективы применения линейных асинхронных электроприводов для сложного колебательного движения рабочих органов технологических машин АПК» рассмотрено современное состояние вопроса послеуборочной обработки и транспортировки продукции растениеводства, в технологическом оборудовании которого имеется потенциал совершенствования путем применения ЛАЭСКД. Показано, что существующие машины для очистки, шелушения и инерционного транспортирования продукции растениеводства имеют ряд недостатков, вызванных используемым в них приводом - сложная кинематика не в полной мере соответствует требуемым характеристикам колебательного движения. Существует практика повышения технико-экономических показателей технологического оборудования с колебательным движением рабочих органов за счет упрощения их привода путем применения линейного асинхронного электропривода (ЛЭП) с накопителями механической энергии. ЛЭП непосредственно преобразуют электрическую энергию в поступательное движение рабочего органа, а накопители механической энергии обеспечивают возврат в систему кинетической энергии, накопленной при прямом ходе рабочего органа. При этом расширяются возможности простого и широкого регулирования параметров колебаний рабочих органов (амплитуда до 0,7м; частота до 5Гц), что актуально для всех технологических операций. В качестве упругих накопителей могут быть использованы различные устройства, среди которых наибольшее значение имеют цилиндрические винтовые пружины, обеспечивающие стабильность настройки, сравнительно небольшие габаритные размеры и массы, простые в сборке и выносливые при применении.
Однако незадействованным и неисследованным свойством, присущим ЛАД, является возможность осуществлять привод рабочих органов колебательного движения сложной формы.